“ “我从来都知道正途是哪条,但我从来不走,因为太TM艰难了”——《闻香识女人》”
中国有句古话,叫一物降一物。当我们数日前沉浸在首次实现了可燃冰的持续性开采,并期待它成为我们下一个替代能源时,殊不知,可燃冰里最被我们看重的甲烷,对我们正在使用的活塞式发动机是一剂攻心的慢性毒药。
事实上,在寻找新能源的道路上,人们总是希望能在现有基础的条件下,尽量少做改变去找到一个可替代解决方案,以达到成本最低。但就像电影《闻香识女人》里史法兰上校说的那样:
“我从来都知道正途是哪条,但我从来不走,因为(坚持正途)太TM难了。”
在眼下寻找新能源还没看到曙光之际,我们不妨借可燃冰之机,思考一下自己是不是对新能源的期待过于理想化,进而转换思路,从自身入手,从能源转换工具的角度入手,思考如何更高效的利用现有能源,而不是徒劳地寻求一种天设地造的“新能源”。
▲采用涡轮轴发动机的泰克鲁斯概念车
为了解决可燃冰带来的疑问,特地带着问题采访了泰克鲁斯的CTO靳普先生,作为一个把涡轮轴发动机再一次装进汽车,且创造了惊人性能数据的新晋品牌,靳普口中的泰克鲁斯,或许对车用天然气有更深刻的看法。
能源无所谓“新”与“旧”
“能源的实质就是化学键,当你打破这个化学键,它就能释放出能量。所以说无论能源是储存在天然气、氢气、煤炭、汽油还是柴油里面,它只是物质的一个形态,一个能量的载体。我们最终需要的都是这个物质里面化学键的能量。”
——靳普
那为什么人们对各种各样的能源有了选择呢,这是因为受到转化能量的场景、条件和工具(称为热力学机械或发动机)的限制,我们对利用能源的喜好和效率有了认识。
天然气是活塞式发动机的慢性毒药
可燃冰最让人感到兴奋的一点,就是其中蕴含的甲烷可以像汽油一样燃烧,如果说同样以甲烷为主要组成部分的天然气在这一点上跟可燃冰具有相同性质的话,那么数年前被叫停的汽车“油改气”项目,足以证明把可燃冰中的甲烷继续放在眼下的汽车当中做燃料,就是开历史的倒车,必然要失败的。
因为,天然气对眼下我们使用的活塞式发动机来说,是一剂攻心的慢性毒药。
众所周知,活塞式发动机是个非常娇气的东西,譬如说标定加91汽油的发动机如果加87的油,发动机性能就会受到很大影响,如果是我烧汽油的发动机加了柴油,那这个发动机可能就报废了,所以活塞式发动机对燃料的物理特性和化学特性要求较高。
之前给汽车动过“油改气”的司机都知道,汽车使用天然气作为燃料后,动力特别肉,这个问题的核心原因就在于天然气“降低了”活塞发动机的压缩比。
当活塞发动机使用汽油燃料的时候,汽油喷到气缸内会占用一定的空间,实际上汽油占据的这部分空间是发动机设计之初就预留好的,现在当你喷天然气进去的时候,你发现这个气态燃料的体积比汽油大了许多许多倍,这相当于改变了你的发动机的压缩比,所以你的活塞发动机就处于一个非正常的压缩比之下,工况也不能达到最理想的状态,这就导致了汽车“油改气”之后,动力减弱,发动机大修周期缩短,相当于给发动机“减寿”。
此外,很多出租车后边带一个80L的气罐,在20mPa的压力下,这个气罐也就装18~20立方米的压缩天然气,这些天然气的热值等效于20L汽油,所以说“油改气”之后,车辆的续航里程也缩短了,因为油箱只有20L了。
可能有人会说,那我把天然气加高压,然后降温,变成液化天然气,不就增加了天然气的携带量了?事实上,这样做也得不偿失,这有几个原因:
1、使用液化天然气带来的最大的问题是你要把它保持在一个绝热的环境下,不能让它有热交换,否则它一旦从周围环境里面摄取热量,它就会升温变成天然气了;但是燃烧天然气的时候,你还需要给它快速气化,因为你不能把液化天然气直接泵到发动机里去烧。
因此,在一个使用液化天然气的车上,你要装换热器,装控制阀,安全阀,各种传感器和检测系统,然后罐子还要做绝热处理,比如夹层抽真空,加泡沫或者气凝胶等绝热层,总之来讲,这一套系统比较复杂,对技术要求高,成本也高。
2、其次,使用液化天然气真正解决不了的问题,是你无法绝对保证燃料系统对外绝热,总是会有一些液化天然气变成气态,这就导致储气罐的内部压力越来越大。但你不能让这个压力无限制地大下去,如果车辆在行驶的时候,这个问题还好解决,你直接把这部分气用掉就可以了。但如果车辆处于闲置状态,解决办法就是向外放掉一些气。
如果说有10台使用液化天然气的车停在地下车库,每一台车动不动放点天然气到周围环境中,假如这个地下车库的通风条件不好的话,等到被放掉的天然气在这个空间里达到一定浓度,就很容易引发爆炸。
所以,给活塞式发动机使用天然气做燃料,无论是从发动机工况角度还是燃料携带和保存的可行性方面,都存在很多的问题。那么,如果真想使用可燃冰中的甲烷、或者干脆使用天然气作为燃料,那就只能另辟蹊径,专门设计一款燃烧天然气的发动机来解决能量转化中的问题。
对症下药:不挑食的涡轮轴发动机
考虑到活塞式发动机对燃料的“挑剔”,能达到较高转速、具有较高功率密度的回热循环式燃气轮机便成为了泰克鲁斯的首选。
泰克鲁斯所使用的涡轮轴发动机,有个非常大的燃烧室,非常适合让燃料和空气充分混合并进行持续性的燃烧。而一个燃烧充分的环境,对发动机来说非常重要:拿活塞式发动机做例子,当燃油喷到气缸内,需要有一个雾化的过程,让它跟空气充分的接触,尽可能在做功的一瞬间燃烧完全。但当它和涡轮轴发动机相比时,从设计原理的角度考虑,很明显后者的燃烧室更能支持燃料充分与空气混合(富氧)并完全燃烧。
同时,涡轮轴发动机(燃气轮机的一种)还是最不挑食的,曾经有人半开玩笑说,你就是往燃气轮机里面倒一瓶香奈儿的香水它也能烧,事实上无论是甲醇还是酒精,对燃气轮机来说都是很好的燃料,靳普表示:
“泰克鲁斯采用的涡轮轴发动机,在分别使用天然气和柴油作为燃料时,输出功率并没有明显变化,但使用前者的热效率还有所升高。从实用角度讲,泰克鲁斯和航天科工一起合作的这台涡轮轴发动机、体积小巧,直径不到400毫米,长度不到700毫米,仅40多公斤重。如果实现批量生产,其成本甚至可以低于同级别的活塞式汽油发动机。”
根据查到的资料,历史上使用燃气涡轮发动机作为动力单元的汽车品牌,并不是只有泰克鲁斯一家。在上世纪50年代,像罗孚、克莱斯勒、通用和菲亚特都推出过使用燃气轮机直接驱动车轮的车型,但由于燃气轮机先天扭矩不大,外加当时的技术限制,燃气轮机在汽车上的应用仅仅是昙花一现。
▲克莱斯勒生产的使用涡轮轴发动机作为动力的汽车
▲1956年通用生产的“火鸟”涡轮轴技术验证概念车
在近现代,燃气轮机在车辆上最著名的应用,恐怕要数依然在役的美国M1A1 阿布拉姆斯主战坦克了,这台战斗全重65吨的主战坦克,使用了一台由莱康明公司设计制造的AGT1500涡轮轴发动机,该发动机的峰值性能达到了1120kW(合1500马力)的输出动力和3,754 N·m的输出扭矩,同时还能使用汽油、航空燃油、柴油多种燃料。
▲阿布拉姆斯主战坦克在战场上进行发动机维修,正在把发动机吊出后机舱
▲AGT1500涡轮轴发动机
不过,考虑到在主战坦克上使用的涡轮轴发动机属于特殊领域下的特殊应用,所以在时隔60多年后,再次把“不挑食”的涡轮轴发动机装进汽车里的泰克鲁斯,必须有一些新设计。
对涡轮轴发动机的“取长补短”催生了“TREV”
泰克鲁斯使用涡轮轴发动机的概念车是增程式电动车,靳普介绍:从能量转换率的角度讲,涡轮轴发动机的轴功率输出到发电机用于发电,而电能被储存到电池里又作用于电动机,进而用于驱动车辆,在整个循环里,这套动力系统对燃料的转换效率是高于普通柴油机的。
“我们为什么用燃气轮机发电而不是用柴油机来发电呢?这是因为柴油机虽然效率很高,但转速太低了。相比之下,我们现在使用的这台涡轮轴发动机,转速高达96000转/分钟,因为转速几乎就等于功率密度,转速高了,功率密度就高了。”
在清洁环保方面,靳普透露泰克鲁斯目前使用的涡轮轴发动机在以柴油为燃料时,如果没有三元催化器的辅助,直排废气中的各项污染指数,只有欧六标准的一半。如果说改让这台涡轮轴发动机改烧天然气,那么动力系统的环保水平还会进一步提升。
小结:
在对待天然气的态度上,靳普的态度非常积极,他认为如果有条件,天然气是更理想的燃料来源,这一方面因为天然气的热效率更高一些,排放更加清洁环保,第二方面也是因为天然气中的生物质天然气,是一种可以实现永久循环的可靠能源。
话题回到文初说起的可燃冰,靳普认为“从技术层面找到开采可燃冰的可能性,是一个很重大的发现!因为可燃冰的探明储量是很大的,有足够的理由可以替代汽油,这么多能量在我们脚底下埋着,就算是一种“福气”。“
对此与靳普的意见相同,同样认为可燃冰的试采意义非凡。但对可燃冰的商业化开采未来依然抱谨慎态度,这是因为首先要保证可燃冰开采时足够安全,不会造成生态灾难;其次还要针对可燃冰的利用做到合理高效,如果继续多年前以简单粗暴的“油改气”方式利用可燃冰中蕴含的能量,是万万不可取的。
▲泰克鲁斯使用的涡轮轴发动机
对靳普的泰克鲁斯来说,涡轮轴发动机,解决了合理高效利用天然气的第一步,同时“TREV”的工作模式,也充分实现了对涡轮轴发动机的性能的扬长避短。靳普透露,最早在今年的日内瓦车展上,泰克鲁斯计划发布一款接近量产化且可以市售的车型。
但是,涡轮轴发动机最终是否会成为桥接眼下石油燃料和未来清洁燃料的桥梁,现在下定论还为时过早,我们所能做的,便是面对泰克鲁斯这样独辟蹊径尝试新技术的品牌,套用电影中史法兰上校演讲中最后的话:
“Let him continue on his journey. Don't destroy it. Protect it.”